PF Moduł 7

Wprowadzenie W termodynamice zajmujemy się zjawiskami cieplnymi i ich powiązaniami z innymi zjawiskami (mechanicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi). Klasycznie rozważamy związki między makroskopowymi wielkościami, takimi jak temperatura, ciśnienie, objętość bazując na zasadach termodynamiki ustalanych na podstawie doświadczenia. Przy opisie zjawisk metodami statystycznymi uwzględniamy wielkości mikroskopowe, dla atomów i cząsteczek, takie jak ich masy, prędkości, energie. Wielkości makroskopowe i mikroskopowe są ze sobą związane i dają się wyrazić odpowiednimi zależnościami, bo służą wyjaśnieniu tych samych zjawisk. Dla ilościowego opisu struktury atomowej bądź cząsteczkowej ciał (opisu mikroskopowego) oraz do opisu takich własności ciał, które dostępne są naszym obserwacjom i pomiarom (opisu makroskopowego) wprowadza się szereg pojęć i definicji.

---

Masa atomowa (cząsteczkowa) – to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do 1/12 masy atomu węgla ${12}^{}C$. Z definicji masy atomowej wynika, że jest to wielkość bezwymiarowa. Pamiętamy, że 12 gramów to 0,012 kilograma. Masy atomowe podawane są w tablicach układu okresowego pierwiastków. Mol – to ilość substancji, która zawiera liczbę atomów (cząsteczek) równą liczbie atomów w 12 gramach węgla ${12}^{}C$. Mol to inaczej gramocząsteczka. Węgiel naturalny składa się w 98,9% z trwałego izotopu ${12}^{}C$. Liczba Avogadro – to liczb atomów (cząsteczek) w jednym molu substancji. Liczba (stała) ta wynosi $N_A=6,022367\cdot 10^{23}/mol$. Prawo Avogadro głosi, że w warunkach jednakowego ciśnienia i temperatury jednakowe objętości różnych gazów zawierają jednakową liczbę cząsteczek.

---

Układ fizyczny – to ciało lub zbiór rozważanych ciał. Układ fizyczny określony jest tu ogólnie. Definicja ta ma zastosowanie w różnych działach fizyki. Układ termodynamiczny – to taki układ fizyczny, w którym obok wszelkich innych zjawisk (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych itd.) uwzględniamy zjawiska cieplne. Otoczenie – to ciało lub zbiór ciał, które nie należą do układu, ale mogą z nim na różne sposoby oddziaływać. Układ izolowany – to układ, który nie wymienia z otoczeniem ani materii ani energii. Poza układami izolowanymi istnieją też układy zamknięte to jest takie, które nie wymieniają materii z otoczeniem oraz otwarte, dla których taka wymiana zachodzi. Stan układu – charakteryzuje własności układu, określony jest przez wartości parametrów stanu. Stan równowagowy – to taki stan układu, w którym parametry stanu mają stałe, określone wartości. W stanie równowagowym parametry stanu układu nie zmieniają się o ile nie zmieniają się warunki zewnętrzne, w jakich znajduje się układ.

---

Makroskopowo, charakterystyka układu termodynamicznego podana może być przez jego masę, skład i ograniczenia wydzielające ten układ z otoczenia. Układ termodynamiczny charakteryzuje stan układu poprzez parametry stanu. Energia zgromadzona w układzie, który jest w stanie równowagi to jego energia wewnętrzna.

---

Zapiszmy wyrażenie na energię całkowitą układu w postaci: $E=E_k+E_p+U$ gdzie $E_k$ jest energią kinetyczną układu jako całości, a $E_p$ - energią potencjalną w zewnętrznym polu sił. Te postacie energii znamy już z pierwszej części naszego kursu - dotyczącej ruchu. Wielkość $U$, to energia wewnętrzna układu. Na energię wewnętrzną składa się energia kinetyczna chaotycznego ruchu cząsteczek, energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych, a także energia spoczynkowa wynikająca z równoważności masy i energii. W naszych rozważaniach zajmować się będziemy głównie zmianami energii wewnętrznej wynikającej z zachodzących przemian, nie zaś wartością bezwzględną tej energii (np. związaną z masą cząstek). Należy jednak zauważyć, że energia kinetyczna wyzwalana w procesach jądrowych wiąże się ze znaczącymi zmianami masy, które uwzględnia się w bilansie energetycznym. Energia wewnętrzna jest funkcją stanu układu. Oznacza to, że parametry stanu określają całkowicie wartość energii wewnętrznej niezależnie od tego, jakim przemianom układ podlegał dążąc do tego stanu. Gdy układ przechodzi od jednego stanu do drugiego, to zmiana energii wewnętrznej jest różnicą energii wewnętrznych w stanach końcowym i początkowym. Różnica ta nie zależy natomiast od rodzaju przemiany i od tego, przez jakie stany pośrednie układ przechodził. Wynika z tego, że jeżeli po zakończeniu przemiany układ powraca do tego samego stanu, to energia wewnętrzna mieć będzie taką samą wartość jak w stanie początkowym, czyli przyrost energii wewnętrznej będzie równy zeru.

---

Stan nierównowagowy – to taki stan układu, w którym parametr bądź parametry stanu nie mają określonej wartości i ich wartość jest inna niż w stanie równowagi. W stanie nierównowagowym wartości parametrów stanu zależą od czynników zaburzających równowagę. Stan stacjonarny – to taki stan nierównowagowy, w którym parametry stanu nie zmieniają się w czasie. Proces (przemiana) termodynamiczny, – gdy układ przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego charakteryzującego się innymi parametrami stanu.

---

Przemiana albo proces - to przechodzenie układu z jednego stanu równowagi do drugiego, charakteryzującego się innymi wartościami parametrów stanu. Nazwa przemiany zaczyna się zwykle od przedrostka "izo", jeśli któryś z parametrów stanu pozostaje w czasie przemiany niezmieniony; na przykład przemiana izotermiczna zachodzi w stałej temperaturze. Przejściu układu z jednego (1) stanu równowagi do drugiego (2) towarzyszy zmiana energii wewnętrznej.

---

Relaksacja - to taki rodzaj przemiany, w którym układ przechodzi samorzutnie ze stanu nierównowagowego do stanu równowagi. Przemiana oznacza zmianę stanu układu. Jeśli układ znajdował się w stanie równowagi, to przemiana oznacza naruszenie tego stanu. Kiedy jednak przemiana następuje powoli, w granicznym przypadku - nieskończenie powoli, to możemy uważać, że proces taki przechodzi przez ciąg stanów równowagowych. Przemiana kwazistatyczna - to taki proces, który może być traktowany jako ciąg stanów równowagowych. Przemiana kwazistatyczna powinna zachodzić nieskończenie powoli. W wielu przypadkach możemy jednak uważać rzeczywiste przemiany za kwazistatyczne, jeśli tylko zachodzą wystarczająco wolno. Przemiana odwracalna - to taki proces, który może przebiegać w odwrotną stronę i możliwe jest przywrócenie stanu początkowego układu oraz jego otoczenia (tzn. bez wywoływania zmian w otoczeniu). Oznacza to, że jeśli układ przechodzi od stanu A do stanu B przechodząc przez ciąg stanów pośrednich, to możliwe jest także przejście ze stanu B do stanu A w ten sposób, że układ przechodzi przez te same stany pośrednie, ale w odwrotnej kolejności. Oznacza to również, że dla takiego przeprowadzenia układu w kierunku odwrotnym konieczna jest znajomość wszystkich (równowagowych) stanów pośrednich. Przemiany kwazistatyczne są przemianami odwracalnymi. Przemiana kołowa (cykliczna) - to proces, w którym układ po przejściu szeregu stanów pośrednich powraca do stanu początkowego.

---

Temperatura charakteryzuje stopień ogrzania ciała i jest wielkością, którą można wyznaczyć doświadczalnie. Temperatura jest parametrem stanu, który stanowi kryterium równowagi cieplnej między układami. Warunkiem koniecznym i wystarczającym równowagi termicznej jest równość temperatur. Stwierdzenie to znane jest jako zerowa zasada termodynamiki. Zasadę tę formułuje się także w postaci: Jeśli $(T_A=T_B)$ oraz $(T_B=T_C)$, to $(T_A=T_C)$, gdzie przez $T$ z odpowiednimi indeksami oznaczyliśmy temperatury ciał $A$, $B$ i $C$. Traktując ciało $B$, jako ciało wzorcowe możemy uznać zerową zasadę termodynamiki za metodę pomiaru temperatury. Temperaturę wyrażamy zazwyczaj w skali Celsjusza lub Kelvina. Temperaturze (wody z lodem pod ciśnieniem atmosferycznym) $t=0^{\circ }C$ odpowiada temperatura T = 273,15 K. Jednostki obu skal są takie same.

---

---

---

---

---

---

---

---

---